為了制造新的鈉鎳電池，GE公司已在紐約的斯克內(nèi)克塔迪（Schenectady）開設(shè)了一個(gè)大型工廠。這種電池能用于儲(chǔ)存風(fēng)力渦輪機(jī)生產(chǎn)的電能，為遠(yuǎn)程移動(dòng)基站供電。這一組圖便是電池制造過(guò)程中的一些關(guān)鍵步驟。

工廠60%的部分是用于制造一種電解質(zhì)陶瓷。圖中顯示的是大袋封裝的原料，它們將會(huì)被混合，進(jìn)行化學(xué)改性，再經(jīng)研磨、干燥，將粉末狀的材料變成如同水一樣易于流動(dòng)的材料，并需要讓其適于制作高性能陶瓷的特性保持不變。

陶瓷材料被壓入磨具成型。圖中后方可見操作這一過(guò)程的橙色機(jī)器人，它們正將壓制好的材料從模具中移走。

陶瓷被打包，并保持形狀固定，然后裝上板車送往圖正中所示的大窯進(jìn)行燒制。

一名工人正在檢查卸下的電解質(zhì)陶瓷。

接下來(lái)準(zhǔn)備組裝成一個(gè)完整的電池。在這里，工人在刷導(dǎo)電的碳基涂料，然后將把導(dǎo)電金屬裝置與電極材料在電池封裝之前都安放進(jìn)去。

一個(gè)被拆卸開的電池。圖片最前方的是電解質(zhì)陶瓷，圖中還可見電流收集用的金屬及外殼。實(shí)際儲(chǔ)存在電池中的是電極材料。

一名工人正將電池組插入封裝外殼，電池中包含有用于控制電池的微處理器，以及讓電池在其適應(yīng)的約300℃工作的加熱器。

在這里，電池進(jìn)行隔熱封裝，使其保持在300攝氏度的工作溫度，同時(shí)進(jìn)行交付客戶前的最后測(cè)試。

1、鎘鎳電池有什么特點(diǎn)？

鎘鎳電池的主要特點(diǎn)有：

（1）電解液只作為電流的傳導(dǎo)體，濃度不起變化。

（2）電池的充放電程度不能根據(jù)電解液的密度變化來(lái)判斷，而是在充電時(shí)以電壓的變化來(lái)判斷。

（3）在充放電過(guò)程中隨著電化反應(yīng)的加劇，在正極板上析出氧氣，負(fù)極板上析出把氫氣。

（4）密封式隔鎳電池在制造時(shí)使負(fù)極板上物質(zhì)過(guò)量，以避免氫氣的析出，而在正極上產(chǎn)生的氧氣因電化作用而被負(fù)極板吸收，防止了蓄電池內(nèi)部氣體聚集，保證了蓄電池在密封條件下正常工作。

2、新型鐵鎳電池充電只需要2分鐘

斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們給鐵鎳電池（nickel-iron battery）注入了新的活力，這種可充電技術(shù)是托馬斯?愛(ài)迪生開發(fā)的，已經(jīng)有一個(gè)多世紀(jì)的歷史。

愛(ài)迪生電池是在20世紀(jì)初設(shè)計(jì)的，用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，但很大程度上，到了20世紀(jì)70年代中期才受到青睞。今天，只有少數(shù)幾家公司生產(chǎn)鎳鐵電池，主要用于儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的多余電力。

“這種愛(ài)迪生電池非常耐用，但它也有一些缺陷，” 斯坦福大學(xué)的化學(xué)教授戴宏杰（Hongjie Dai）說(shuō)。他說(shuō)：“典型的電池需要花幾個(gè)小時(shí)充電，而放電速度也很慢?！?/p>

現(xiàn)在，戴宏杰和他斯坦福大學(xué)的同事們極大地提高了這項(xiàng)百年老技術(shù)的性能。斯坦福大學(xué)的研究小組創(chuàng)造了一種超快鎳鐵電池，充滿電只需要大約2分鐘，放電不到30秒。這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在6月26日一期的《自然?通訊》（Nature Communications）雜志上。

“我們使充電和放電速度提高近1000倍，”斯坦福大學(xué)研究生王海量（Hailiang Wang）說(shuō)，他是這項(xiàng)研究的主要作者?！拔覀兪顾娴暮芸??！?/p>

戴宏杰說(shuō)，這種高性能，低成本的電池有朝一日會(huì)有助于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，就像愛(ài)迪生當(dāng)初設(shè)想的那樣。他補(bǔ)充說(shuō)：“很有希望，我們可賦予鎳鐵電池一種新生命?！?/p>

電動(dòng)汽車

愛(ài)迪生是全電動(dòng)汽車的早期倡導(dǎo)者，他在1900年左右開始銷售鎳鐵電池。直到1920年前后，這種電池才用于電動(dòng)汽車。這種電池使用壽命長(zhǎng)，具有可靠性，這使它成為一種流行的備份電源，用于鐵路，礦山等行業(yè)，這是20世紀(jì)中葉以后的事。

愛(ài)迪生創(chuàng)造的這種鎳鐵電池，是一種廉價(jià)的替代品，可取代腐蝕性鉛酸蓄電池（lead-acid batteries）。它的基本設(shè)計(jì)包含兩個(gè)電極，陰極用鎳制成，陽(yáng)極用鐵制成，浸泡在堿性溶液中?！爸匾氖?，鎳和鐵都是地球上豐富的元素，而且相對(duì)來(lái)說(shuō)是無(wú)毒的，”戴宏杰說(shuō)。

長(zhǎng)期以來(lái)，碳一直用于提高電極的導(dǎo)電性。為了提高愛(ài)迪生電池的性能，斯坦福大學(xué)的研究小組采用了石墨烯，也就是納米尺度的碳片，只有一個(gè)原子厚，他們也采用了多壁碳納米管，每根管包含大約10個(gè)同心圓石墨烯薄片，卷在一起。

“在傳統(tǒng)的電極中，人們隨機(jī)混合鐵鎳材料與導(dǎo)電性碳，”王海量解釋說(shuō)?！跋喾?，我們從石墨烯上培育氧化鐵納米晶體，從碳納米管上培育氫氧化鎳納米晶體。”

這種技術(shù)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的化學(xué)鍵，就在這些金屬顆粒和碳納米材料之間，這會(huì)極大地影響性能。 “耦合鎳和鐵粒子到碳基，會(huì)使電極之間和電路之外的電荷快速移動(dòng)，”戴宏杰說(shuō)?！敖Y(jié)果產(chǎn)生的是超快版本的鎳鐵電池，充電和放電只需幾秒鐘?！?/p>

未來(lái)的應(yīng)用

這種1伏原型電池是戴宏杰實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的，有足夠的電力，可驅(qū)動(dòng)手電筒。研究人員的目標(biāo)是制作更大的電池，用于電網(wǎng)或運(yùn)輸。

大多數(shù)電動(dòng)汽車，如日產(chǎn)Leaf和雪佛蘭福特（Chevy Volt），都是采用鋰離子電池運(yùn)行，可以存儲(chǔ)大量的能量，但通常需要幾個(gè)小時(shí)充電?！拔覀兊碾姵刈陨聿荒茯?qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，因?yàn)槟芰棵芏炔焕硐?，”他說(shuō)?！暗兄阡囯x子電池，可以給它們帶來(lái)真實(shí)的功率提升，進(jìn)行更快的加速和再生制動(dòng)?！?/p>

增強(qiáng)型愛(ài)迪生電池在緊急情況下特別有用，戴宏杰說(shuō)。“有可能進(jìn)行軍事應(yīng)用，例如，有些地方，你必須給某些東西迅速充電，”他說(shuō)。

“這絕對(duì)是可擴(kuò)展的，”王海量說(shuō)。“鎳，鐵和碳相對(duì)低廉，而電解液是水和氫氧化鉀，這也很便宜，很安全。它不會(huì)在車內(nèi)爆炸?！?/p>

這種原型電池有一個(gè)關(guān)鍵的缺點(diǎn)，就是長(zhǎng)時(shí)間蓄電的性能?！八痪邆涑浞烹娧h(huán)穩(wěn)定性，這是我們需要的，”戴宏杰說(shuō)?！艾F(xiàn)在，超過(guò)800個(gè)周期后，就會(huì)衰減約20％。這大約相當(dāng)于鋰離子電池。但我們的電池非?？?，所以我們會(huì)更經(jīng)常用它。理想的情況下，我們希望它完全不衰退。

“使用強(qiáng)耦合的納米材料代表著一種非常激動(dòng)人心的方法，可制造電極，”他說(shuō)。“這不同于傳統(tǒng)的方法，你只需要簡(jiǎn)單地混合材料。我認(rèn)為，托馬斯?愛(ài)迪生看到這一進(jìn)展會(huì)很高興?！?/p>

這項(xiàng)研究的其他合著者有博士后學(xué)者梁永業(yè)（Yongye Liang）和李焰光（Yanguang Li），研究生龔明（Ming Gong），大學(xué)生韋斯利?張（Wesley Chang）和泰勒?麥福德（Tyler Mefford），屬于斯坦福大學(xué)；還有周濟(jì)鋼（Jigang Zhou），王建（Jian Wang）和加拿大光源公司（Canadian Light Source， Inc.）的湯姆?萊吉爾（Tom Regier）；清華大學(xué)的魏飛（Fei Wei）。

這項(xiàng)研究獲得了英特爾公司的支持；有一項(xiàng)斯泰哈特/里德獎(jiǎng)（Stinehart/Reed Award）來(lái)自斯坦福大學(xué)的普雷科特能源研究所（Stinehart/Reed Award）；還有斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)研究生獎(jiǎng)學(xué)金。